Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Галій



План:


Введення

Галій - елемент головної підгрупи третьої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 31. Позначається символом Ga ( лат. Gallium ). Відноситься до групи легких металів. Проста речовина галій ( CAS-номер : 7440-55-3) - м'який пластичний метал сріблясто-білого (за іншими даними світло-сірого) кольору з синюватим відтінком.


1. Історія

Існування галію було науково передбачене Д. І. Менделєєвим. При створенні періодичної системи хімічних елементів в 1869 р. він, грунтуючись на відкритий ним Періодичний закон, залишив вакантні місця в третій групі для невідомих елементів - аналогів алюмінію і кремнію (екаалюмінієм і екасіліцій). Менделєєв, грунтуючись на властивостях сусідніх, добре вивчених елементів, досить точно описав не тільки найважливіші фізичні та хімічні властивості, а й метод відкриття - спектроскопія. Зокрема, у статті в " Журналі Російського хімічного товариства "в 1871 р. Менделєєв вказав, що атомний вагу екаалюмінієм близький до 68, питома вага близько 6 г / см 3. У металевому стані метал буде легкоплавок.

Незабаром галій був відкритий, виділений у вигляді простого речовини і вивчений французьким хіміком Полем Еміль Лекок де Буабодраном. В 1875 Лекок де Буабодран досліджував спектр цинкової обманки, привезеної з Пьеррфіта ( Піренеї). У цьому спектрі їм була виявлена ​​нова фіолетова лінія, яка свідчить про присутність в мінералі невідомого елемента. Виділення елемента було пов'язане з чималими труднощами, оскільки зміст нового елемента в руді було менше 0,1%. У результаті Лекок де Буабодраном вдалося отримати новий елемент у кількості менше 0,1 г і досліджувати його. За властивостями новий елемент виявився схожий з цинком.

20 вересня 1875 на засіданні Паризької академії наук було зачитано лист Лекока де Буабодрана про відкриття нового елемента і вивченні його властивостей. Бурхливе захоплення викликало повідомлення про назву елемента в честь Франції. Менделєєв, дізнавшись про відкриття з опублікованої доповіді, виявив, що опис нового елемента майже в точності збігається з описом передбаченого ним раніше екаалюмінієм. Про це він відправив лист Лекок де Буабодраном, вказавши, що щільність нового металу визначена невірно і повинна бути 5,9-6,0, а не 4,7 г / см 3. Ретельна перевірка показала правоту Менделєєва, а сам Лекок де Буабодран писав з цього приводу:

Я думаю ..., немає необхідності вказувати на виключне значення, яке має щільність нового елемента в щодо підтвердження теоретичних поглядів Менделєєва

- Цит. по [2]

Відкриття галію і послідували незабаром відкриття германію і скандію зміцнило позиції Періодичного закону, яскраво продемонстрував його прогностичний потенціал. Менделєєв називав Лекока де Буабодрана одним з "зміцнювач періодичного закону".


2. Походження назви

Поль Еміль Лекок де Буабодран назвав елемент на честь своєї батьківщини Франції, за її латинській назві - Галлія ( Gallia ).

Існує легенда недокументированная, що в назві елемента його першовідкривач неявно увічнив і своє прізвище ( Lecoq ). Латинська назва елементу ( Gallium ) Співзвучно gallus - "Півень" (лат.). Примітно, що саме півень le coq ) (Франц.) є символом Франції.


3. Знаходження в природі

Середній вміст галію в земній корі 19 г / т. Галій типовий розсіяний елемент, що володіє подвійний геохімічної природою. Зважаючи на близькість його кристаллохимических властивостей з головними породообразующими елементами (Al, Fe та ін) і широкої можливості ізоморфізму з ними, галій не утворює великих скупчень, незважаючи на значну величину Кларка. Виділяються наступні мінерали з підвищеним вмістом галію: сфалерит (0 - 0,1%), магнетит (0 - 0,003%), каситерит (0 - 0,005%), гранат (0 - 0,003%), берил (0 - 0,003%), турмалін (0 - 0,01%), сподумен (0,001 - 0,07%), флогопіт (0,001 - 0,005%), біотит (0 - 0,1%), мусковіт (0 - 0,01%), серіціт ( 0 - 0,005%), лепідоліт (0,001 - 0,03%), хлорит (0 - 0,001%), польові шпати (0 - 0,01%), нефелін (0 - 0,1%), гекманіт (0,01 - 0,07%), натроліт (0 - 0,1%). Концентрація галію в морській воді 3 10 -5 мг / л. [3]


3.1. Родовища

Родовища галію відомі в Південно-Західній Африці, Росії, країнах СНД. [4]

4. Отримання

Найбільш потужним потенційним джерелом отримання галію служать розчини глиноземного виробництва при переробці бокситу і нефеліну. Концентрація галію в лужному розчині алюмінатних після розкладання в процесі Байера: 100-150 мг / л, за способом спікання: 50-65 мг / л. За цим способам галій відокремлюють від більшої частини алюмінію карбонізацією, концентруючи в останній фракції осаду. Потім збагачений осад обробляють вапном, галій переходить в розчин, звідки чорновий метал виділяється електролізом. Галій можна отримати за допомогою переробки поліметалічних руд, вугілля. Забруднене галій промивають водою, після цього фільтрують через пористі пластини і нагрівають у вакуумі для того, щоб видалити летючі домішки. Для отримання галію високої чистоти використовують хімічний (реакції між солями), електрохімічний (електроліз розчинів) і фізичний (розкладання) методи.


5. Фізичні властивості

Кристалічний галій має кілька поліморфних модифікацій, проте термодинамічно стійкою є тільки одна (I), що має орторомбические ( псевдотетрагональную) грати з параметрами а = 4,5186 , b = 7,6570 , c = 4,5256 [1]. Інші модифікації галію (β, γ, δ, ε) кристалізуються з переохолодженого діспергіроване металу і є нестабільними. При підвищеному тиску спостерігалися ще дві поліморфні структури галію II і III, які мають, відповідно, кубічну і тетрагональную решітки [1].

Щільність галію в твердому стані при температурі T = 20 C дорівнює 5,904 г / см , рідкий галій при T = 29,8 C має щільність 6,095 г / см , тобто при затвердінні обсяг галію збільшується. Температура плавлення галію трохи вище кімнатної і дорівнює T пл. = 29,8 C, кипить галій при T кип. = 2230 C.

Однією з особливостей галію є широкий температурний інтервал існування рідкого стану (від 30 і до 2230 C), при цьому він має низьке тиск пара при температурах до 1100-1200 C. Питома теплоємність твердого галію в температурному інтервалі T = 0-24 C дорівнює 376,7 Дж / кг К (0,09 кал / г град.), в рідкому стані при T = 29-100 C - 410 Дж / ​​кг К (0,098 кал / г град).

Питомий електричний опір в твердому і рідкому стані рівні, відповідно, 53,4 10 -6 ом см (при T = 0 C) і 27,2 10 -6 ом см (при T = 30 C). В'язкість рідкого галію при різних температурах дорівнює 1,612 пуаз при T = 98 C і 0,578 пуаз при T = 1100 C. Поверхневий натяг, виміряний при 30 C в атмосфері водню одно 0,735 н / м. Коефіцієнти відбиття для довжин хвиль 4360 і 5890 становлять 75,6% і 71,3%, відповідно.

Природний галій складається з двох ізотопів 69 Ga (61,2%) і 71 Ga (38,8%). Поперечний перетин захоплення теплових нейтронів одно для них 2,1 10 -28 м і 5,1 10 -28 м , відповідно [1].


6. Хімічні властивості

Хімічні властивості галію близькі до властивостей алюмінію. Оксидна плівка, що утворюється на поверхні металу на повітрі, оберігає галій від подальшого окислення.

Галій реагує з гарячою водою:

2Ga + 6H_ {2} O = 2Ga (OH) _ {3} {\ downarrow} + 3H_ {2} {\ uparrow}

При реакції з перегрітим паром (350 C) утворюється з'єднання GaOOH (гідрат окису галію або метагалліевая кислота):

2Ga + 4H_ {2} O \ xrightarrow {350 ^ \ circ C} 2GaOOH + 3H_ {2} {\ uparrow}

Галій взаємодіє з мінеральними кислотами з виділенням водню і утворенням солей, причому реакція протікає навіть нижче кімнатної температури:

2Ga + 6HCl = 2GaCl_ {3} + 3H_ {2} {\ uparrow}

Продуктами реакції з лугами і карбонатами калію і натрію є гідроксогаллати, що містять іони Ga (OH) 4 - і, можливо, Ga (OH) 6 третє Ga (OH) 2 -:

2Ga + 6H_ {2} O + 2NaOH = 2Na [Ga (OH) _ {4}] + 3H_ {2} {\ uparrow}

Галій реагує з галогенами : реакція з хлором і фтором йде при кімнатній температурі, з бромом - вже при -35 C (близько 20 C - із запалюванням), взаємодія з йодом починається при нагріванні.

Галій не взаємодіє з воднем, вуглецем, азотом, кремнієм і бором.

При високих температурах галій здатний руйнувати різні матеріали і його дія сильніше розплаву будь-якого іншого металу. Так, графіт і вольфрам стійкі до дії розплаву галію до 800 C, алунд і оксид берилію BeO - до 1000 C, тантал, молібден та ніобій стійкі до 400 450 C.

З більшістю металів галій утворює галліди, винятком є вісмут, а також метали підгруп цинку, скандію, титану. Один з галлідов V 3 Ga має досить високу температуру переходу в надпровідний стан 16,8 K.

Галій утворює полімерні гідриди :

4 L i H + G a C l 3 = L i [G a H 4] + 3 L i C l

Стійкість іонів падає в ряду BH 4 - → AlH 4 - → GaH 4 -. Іон BH 4 - стійкий у водному розчині, AlH 4 - і GaH 4 - швидко гідролізуються :

GaH_ {4} ^ - + 4H_ {2} O = Ga (OH) _ {3} + OH ^ - + 4H_ {2} ^ -

При розчиненні Ga (OH) 3 і Ga 2 O 3 в кислотах утворюються аквакомплексу [Ga (H 2 O) 6] 3 +, тому з водних розчинів солі галію виділяються у вигляді кристалогідратів, наприклад, хлорид галію GaCl 3 * 6H 2 O, галлійкаліевие галун KGa (SO 4) 2 * 12H 2 O. Аквакомплексу галію в розчинах безбарвні.


7. Основні з'єднання

  • Ga 2 H 6 - летюча рідина, t пл -21,4 C, t кип 139 C. В ефірній суспензії з гидридом літію або талію утворює з'єднання LiGaH 4 і TlGaH 4. Утворюється в результаті обробки тетраметілдігаллана триетиламіну. Є бананові зв'язку, як і в діборане
  • Ga 2 O 3 - білий або жовтий порошок, t пл 1795 C. Існує у вигляді двох модифікацій. Α-Ga 2 О 3 - безбарвні Тригональна кристали з щільністю 6,48 г / см , малорозчинні у воді, розчинні в кислотах. Β-Ga 2 О 3 - безбарвні моноклінні кристали c щільністю 5,88 г / см , малорозчинні у воді, кислотах і лугах. Одержують нагріванням металевого галію на повітрі при 260 C або в атмосфері кисню, або прожарюванням нітрату або сульфату галію. ΔH 298 (обр) -1089,10 кДж / моль; ΔG 298 (обр) -998,24 кДж / моль; S 298 84,98 Дж / ​​моль K. Виявляють амфотерні властивості, хоча основні властивості, в порівнянні з алюмінієм, посилені:

Ga 2 O 3 + 6HCl = 2GaCl 3 +3 H 2 O Ga 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na [Ga (OH) 4] Ga 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaGaO 2 + CO 2

  • Ga (OH) 3 - випадає у вигляді осаду желеподібного при обробці розчинів солей тривалентного галію гідроксидами і карбонатами лужних металів (pH 9,7). Розчиняється в концентрованому аміаку і концентрованому розчині карбонату амонію, при кип'ятінні осідає. Нагріванням гідроксид галію можна перевести в GaOOH, потім в Ga 2 O 3 * H 2 O, і, нарешті, в Ga 2 O 3. Можна отримати гідролізом солей тривалентного галію.
  • GaF 3 - білий порошок. t пл> 1000 C, t кип 950 C, щільність - 4,47 г / см . Малорастворим у воді. Відомий кристалогідрат GaF 32 O. Одержують нагріванням оксиду галію в атмосфері фтору.
  • GaCl 3 - безбарвні гігроскопічні кристали. t пл 78 C, t кип 215 C, щільність - 2,47 г / см . Добре розчинний у воді. У водних розчинах гідролізується. Отримують безпосередньо з елементів. Застосовується в якості каталізатора в органічних синтезах.
  • GaBr 3 - безбарвні гігроскопічні кристали. t пл 122 C, t кип 279 C щільність - 3,69 г / см . Розчиняється у воді. У водних розчинах гідролізується. В аміаку малорастворим. Отримують безпосередньо з елементів.
  • GaI 3 - гігроскопічні світло-жовті голки. t пл 212 C, t кип 346 C, щільність - 4,15 г / см . Гідролізується теплою водою. Отримують безпосередньо з елементів.
  • Ga 2 S 3 - жовті кристали або білий аморфний порошок з t пл 1250 C і щільністю 3,65 г / см . Взаємодіє з водою, при цьому повністю гідролізується. Отримують взаємодією галію, сірого чи сірководнем.
  • Ga 2 (SO 4) 3 18H 2 O - безбарвне, добре розчинна у воді речовина. Виходить при взаємодії галію, його оксиду та гідроксиду з сірчаною кислотою. З сульфатами лужних металів і амонію легко утворює галун, наприклад, KGa (SO 4) 2 12Н 2 О.
  • Ga (NO 3) 3 8H 2 O - безбарвні, розчинні у воді і етанолі кристали. При нагріванні розкладається з утворенням оксиду галію (III). Виходить дією азотної кислоти на гідроксид галію.

8. Застосування

Арсенід галію GaAs - перспективний матеріал для напівпровідникової електроніки.

Нітрид галію використовується в створенні напівпровідникових лазерів і світлодіодів синього і ультрафіолетового діапазону. Нітрид галію володіє чудовими хімічними і механічними властивостями, типовими для всіх нітридних сполук.

Ізотоп галій-71 є найважливішим матеріалом для реєстрації нейтрино і у зв'язку з цим перед технікою стоїть дуже актуальне завдання виділення цього ізотопу з природної суміші з метою підвищення чутливості детекторів нейтрино. Оскільки вміст 71 Ga становить у природній суміші ізотопів близько 39,9%, то виділення чистого ізотопу і використання його в якості детектора нейтрино здатне підвищити чутливість реєстрації в 2,5 рази.

Галій доріг, в 2005 році на світовому ринку тонна галію коштувала 1200000 доларів США, і в зв'язку з високою ціною і в той же час з великою потребою в цьому металі дуже важливо налагодити його повне вилучення при алюмінієвому виробництві та переробці кам'яного вугілля на рідке паливо.

Галій має ряд сплавів, рідких при кімнатній температурі, і один з його сплавів має температуру плавлення 3 C (евтектика In-Ga-Sn), але з іншого боку галій (сплави в меншій мірі) дуже агресивний до більшості конструкційних матеріалів (розтріскування і розмивання сплавів при високій температурі). Наприклад, по відношенню до алюмінію і його сплавів галій є потужним понижувача міцності, (див. адсорбційну зниження міцності, ефект Ребиндера). Це властивість галію було найяскравіше продемонстровано і детально вивчено П. А. Ребіндера і Є. Д. Щукіним при контакті алюмінію з галієм або його евтектичними сплавами (жідкометалліческім охрупчивание). Як теплоносій галій малоефективний, а часто просто неприйнятний.

Галій - чудовий мастильний матеріал. На основі галію і нікелю, галію і скандію створені практично дуже важливі металеві клеї.

Металевим галієм також заповнюють кварцові термометри (замість ртуті) для вимірювання високих температур. Це пов'язано з тим, що галій має значно більш високу температуру кипіння в порівнянні з ртуттю.

Оксид галію входить до складу ряду стратегічно важливих лазерних матеріалів групи гранатів - ГСГГ, ІАГ, ІСГГ та ін


9. Біологічна роль та особливості обігу

Не грає біологічної ролі.

Контакт шкіри з галієм призводить до того, що надмалі дисперсні частинки металу залишаються на ній. Зовні це виглядає як сіра пляма.

Клінічна картина гострого отруєння: короткочасне збудження, потім загальмованість, порушення координації рухів, адинамія, арефлексія, уповільнення дихання, порушення його ритму. На цьому тлі спостерігається параліч нижніх кінцівок, далі - кома, смерть. Інгаляційне вплив галій-яке містить аерозолю в концентрації 50 мг / м викликає у людини ураження нирок, так само як і внутрішньовенне введення 10-25 мг / кг солей галію. Відзначається протеїнурія, азотемія, порушення кліренсу сечовини [5].

Через низьку температуру плавлення злитки галію рекомендується транспортувати в пакетах з поліетилену, який погано змочується рідким галієм.


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Амфітеатр трьох Галій
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru